基于單片機(jī)的按鍵式USB鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)

【摘要】普通鼠標(biāo)由于在外殼防護(hù)、操作環(huán)境、抗砸耐磨等方面不能很好地滿足工業(yè)控制現(xiàn)場需求而無法在工業(yè)控制中使用，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的按鍵式USB鼠標(biāo)，能夠滿足工業(yè)控制應(yīng)用。鼠標(biāo)采用單片機(jī)作為控制核心，單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)按鍵信號(hào)的采集、濾波，并將按鍵信號(hào)根據(jù)HID協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的USB鼠標(biāo)信號(hào)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);按鍵;USB;鼠標(biāo)

引言

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常需要用鼠標(biāo)對(duì)控制器進(jìn)行操作，但普通商業(yè)鼠標(biāo)由于其以下特性無法滿足某些工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。

外殼防護(hù)等級(jí)達(dá)不到要求。很多工業(yè)現(xiàn)場水汽和粉塵比較大，普通鼠標(biāo)的左鍵和右鍵沒有特別的防護(hù)，水汽進(jìn)入鼠標(biāo)內(nèi)會(huì)對(duì)鼠標(biāo)本身造成損壞，粉塵進(jìn)入到按鍵的縫隙會(huì)導(dǎo)致操作不靈活。

操作環(huán)境達(dá)不到要求。普通鼠標(biāo)需要一個(gè)干凈整齊的操作面，很多工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下很難提供這樣一個(gè)操作面，即便單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)操作面，粉塵和雜物也需要經(jīng)常清理，若清理不及時(shí)，操作不靈活，對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)造成影響。

抗砸等級(jí)達(dá)不到要求。很多工業(yè)現(xiàn)場工料、雜物滾落時(shí)有發(fā)生，普通鼠標(biāo)多為塑料外殼，容易損壞。

本文設(shè)計(jì)了一種能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場要求的基于單片機(jī)的按鍵式USB鼠標(biāo)，可保證工業(yè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定易用。

1.鼠標(biāo)操作方式

鼠標(biāo)操作方式采用全部按鍵操作，左鍵、右鍵跟普通鼠標(biāo)一樣，采用按鍵操作，光標(biāo)的移動(dòng)也采用按鍵操作，用上下左右四個(gè)鍵來模擬光標(biāo)的移動(dòng)。鼠標(biāo)按鍵分布如圖1所示。

圖1 按鍵分布

按鍵及基板均采用不銹鋼材質(zhì)，抗砸耐磨。按鍵采用防塵防水設(shè)計(jì)，不易損壞。

2.鼠標(biāo)接口

普通鼠標(biāo)的接口有兩種方式：PS/2和USB，PS/2是早期的一種接口方式，現(xiàn)在使用更廣泛的是USB接口[1]。為了使設(shè)計(jì)的鼠標(biāo)具有更好的通用性，鼠標(biāo)采用USB接口。在Windows操作系統(tǒng)下，鼠標(biāo)必須滿足HID（Human Interface Device）協(xié)議[2]，才能被操作系統(tǒng)識(shí)別，這需要軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)按鍵信號(hào)的采集和HID協(xié)議的處理。

電路原理如圖2所示。鼠標(biāo)上的6個(gè)按鍵輸出均為無源常開接點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)過隔離后單片機(jī)可以直接采集。隔離采用光耦隔離技術(shù)，在端口采集的電路中，隔離可有效保護(hù)單片機(jī)不受外部干擾信號(hào)的影響，保證程序的穩(wěn)定運(yùn)行。在信號(hào)采集的程序中，由于單片機(jī)的運(yùn)行周期很短，必須要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，不然會(huì)產(chǎn)品信號(hào)抖動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用的濾波方式是定時(shí)計(jì)數(shù)濾波方式，每隔一定的時(shí)間（如20ms）采集一次信號(hào)，如果此次采集的信號(hào)跟上次采集的相同，則計(jì)數(shù)加1，如果不同，則計(jì)數(shù)清零。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到一定數(shù)值（如10），則認(rèn)為信號(hào)已穩(wěn)定，該信號(hào)的狀態(tài)就可以被后續(xù)程序處理。

圖2 電路原理

在單片機(jī)的設(shè)計(jì)中，看門狗電路的設(shè)計(jì)關(guān)乎系統(tǒng)的穩(wěn)定。單片機(jī)程序在循環(huán)運(yùn)行過程中，容易受到外界干擾產(chǎn)生跑飛的現(xiàn)場，看門狗電路就是為了防止程序跑飛設(shè)計(jì)的?？撮T狗電路的原理如下：單片機(jī)程序的運(yùn)行過程中，每隔循環(huán)周期都會(huì)向看門狗芯片寫入一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以是電平信號(hào)，也可以是串行通信信號(hào)（如SPI、I2C等），看門狗芯片在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到這個(gè)信號(hào)就認(rèn)定為程序跑飛，然后看門狗芯片向單片機(jī)的復(fù)位管腳輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，然單片機(jī)實(shí)現(xiàn)熱復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)程序從頭開始運(yùn)行，確保程序不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

3.HID協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法

3.1 HID簡介

HID（Human Interface Device）[3]人機(jī)接口設(shè)備類別是Windows最早支持的USB類別。HID設(shè)備是計(jì)算機(jī)直接與人交互的設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)和游戲桿等。不過HID設(shè)備不一定要有人機(jī)接口，只要符合HID類別規(guī)范，就都是HID設(shè)備。HID設(shè)備可以低速設(shè)備也可以是全速設(shè)備，主要適用于傳輸數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)具有突發(fā)性、無固定傳輸速率的應(yīng)用場所。

3.2 程序設(shè)計(jì)

HID設(shè)備的程序設(shè)計(jì)的核心是對(duì)主機(jī)（如計(jì)算機(jī)）的請求作出響應(yīng)，請求可以控制傳輸請求，也可以使數(shù)據(jù)傳輸請求。軟件開發(fā)的主要工作是編寫USB的中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序首先判斷中斷的類型，然后根據(jù)中斷類型及其他相關(guān)信息，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的協(xié)議處理程序，根據(jù)協(xié)議處理的結(jié)果，完成相應(yīng)的通信。在本設(shè)計(jì)中，由于是用上下左右鍵來模擬光標(biāo)的運(yùn)行，而在HID協(xié)議中，光標(biāo)的數(shù)據(jù)應(yīng)該是一個(gè)坐標(biāo)，這就需要程序講上下左右鍵遞增出來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)值。光標(biāo)的移動(dòng)速度，不同的應(yīng)用場所、不同的用戶都會(huì)有變化，難以統(tǒng)一，為了解決這個(gè)問題，這里做了一個(gè)通用性的設(shè)計(jì)，基本原理如下：用戶按住其中一個(gè)鍵，則光標(biāo)開始向這個(gè)方向移動(dòng)，開始以一個(gè)較慢的速度一定，隨著時(shí)間的積累，移動(dòng)的速度越來越快，這樣可以保證用戶操作的準(zhǔn)確性和光標(biāo)移動(dòng)的效率。在成成設(shè)計(jì)中需要對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，不同的時(shí)間，坐標(biāo)的遞增系數(shù)不同。

4.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的按鍵式USB鼠標(biāo)耐磨抗砸，使用壽命長。鼠標(biāo)采用單片機(jī)作為控制核心，單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)按鍵信號(hào)的采集、濾波，并將按鍵信號(hào)根據(jù)HID協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的USB鼠標(biāo)信號(hào)。本設(shè)計(jì)對(duì)于提高控制系統(tǒng)的可操作性和穩(wěn)定性能起到一定的推進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]任軍首，汪世林.基于STC89C52單片機(jī)的USB鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2011（5）：107-129.

[2]吳曉莉.人機(jī)手控操縱原理在鼠標(biāo)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2009（4）：77-79.

[3]王恒升，匡洋，彭宏道.USB HID類設(shè)備小驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)[J].控制工程，2010（6）：815-819.

作者簡介：趙樹有（1982—），男，河北滄州人，工程師。